硬厚煤層壓裂節能與塊煤分級控制機理及應用

鄧廣哲 鄭 銳 徐 東

(1. 西安科技大學能源學院，陜西省西安市，710054；2.西安科技大學西部礦井開采及災害防治教育部重點實驗室，陜西省西安市，710054)

隨著國家能源結構調整，煤炭清潔利用、科學轉化、綠色開采以及產品市場需求方面也隨之發生了深刻的變化。在煤炭分質轉化、煤炭氣化、火力發電、煤化工、蘭炭及作為原料制造化工產品等市場需求方面，對原煤的粒徑有了一定的要求，同時對塊煤分級控制也提出了更高的要求。

我國西部地區煤炭資源豐富，尤其是陜北侏羅紀煤田是我國已探明煤炭資源儲量最大的煤田之一，且煤層埋藏淺、賦存穩定、近水平、低灰、低硫、低磷、高發熱量，開采條件優越，是我國重要的煤炭深加工和清潔利用開發基地。該煤田以硬厚煤層開采為主，礦井開采全面實現大型機械化和集約化生產開發，裝備水平高，裝機能量大，居于世界一流。但同時硬厚煤層大采高工作面煤機比能耗大，設備效率低，截割速度慢，尤其塊煤生產率低，采煤機截割煤中粉煤多，截齒磨損嚴重，抬高了原煤制造成本，削弱了煤炭產品的市場競爭力，加劇了重型機械化礦井安全清潔高效開采的困境。

針對淺埋硬厚煤層機械化開采存在的問題，一些學者們在煤層壓裂節能方面開展了積極探索。吳松等通過對綜采工作面進行松動爆破現場試驗，超前增大煤體破碎程度，在采煤機進一步擾動下提高塊煤率，同時實現節能降耗的目標。張震東探討了液態CO2深孔壓裂技術，對提高堅硬煤體裂隙發育水平增加煤炭回采塊煤率在理論上是可行的。李文魁認為在煤層中制造大量人工裂隙與天然裂隙溝通，對提供煤層壓裂效果有較大幫助。鄧廣哲等通過研究水壓致裂提高塊煤率的機理，為厚硬煤層綜采面提高塊煤率與節能降耗提供了新的方法和途徑。鄧廣哲等對水壓致裂防沖機理進行了試驗研究，結果表明水壓致裂能有效防治沖擊災害的發生。

煤層水壓致裂技術具有安全、高效、環保、節能等顯著特征，在復雜煤層安全高效開采方面具有很大的優勢及發展前景。但煤層水壓致裂技術在節能降耗、塊煤分級控制方面研究還很少，本文針對硬厚煤壓裂節能與塊煤分級控制機理進行探討，為煤炭清潔高效開采提供參考。

1 煤層壓裂節能與塊煤分級控制機理

1.1 煤層可截割性影響因素

煤體的可截割性直接體現在采煤機滾筒的截割比能耗上。本文用采煤機滾筒的截割比能耗分析煤層可截割性的影響因素，探索節能降耗的方法。

根據功與扭矩、轉速和時間的關系以及體積與密度的關系可得到截割比能耗公式：

(1)

式中：Hw——割煤比能耗，kWh/m3；

D——滾筒直徑，m；

Ap——平均截割阻抗，N/mm；

h——切削厚度，cm；

B——煤的脆性指數；

H——采高，m；

Vq——采煤機的牽引速度，m/min。

由式(1)可知，與煤層特性有關且影響采煤機截割比能耗的主要因素有截割阻抗、牽引速度、采高以及煤的脆性指數。

1.1.1 普氏系數對截割阻抗的影響

在固定某些參數的情況下，通過改變采煤機主要截割參數進行截割阻抗試驗，得到普氏系數與截割阻抗之間關系如圖1所示。

圖1 煤體普氏系數與截割阻抗之間關系圖

由圖1可知，截割阻抗A隨煤體硬度f增大而增大，可得關系式：

A=18f+78.3,R2=.0967,(f≤1.5)

A=127.4f-89.2,R2=.0995,(f≥1.5)

(2)

由式(2)可知，煤體的截割阻抗A與煤體普氏系數f呈正相關關系。其中硬煤煤質堅硬，難以破碎截割，截割阻力大，需采用超前弱化手段降低煤體強度，提高煤層的可截割性，減小截割阻抗，降低截割比能耗。

1.1.2 牽引速度對截割比能耗的影響

不同牽引速度條件下煤體普氏系數與截割比能耗關系如圖2所示。由圖2可知，當牽引速度一定時，截割比能耗隨煤體硬度增大而增大；當煤體硬度不變時，截割比能耗隨牽引速度增大而減小。要降低煤體的截割比能耗，應降低煤體普氏系數，提高煤機牽引速度。

圖2 不同牽引速度條件下煤體普氏系數與截割比能耗關系

1.1.3 采高對截割比能耗的影響

不同采高煤體普氏系數與截割比能耗關系如圖3所示。

圖3 不同采高煤體普氏系數與截割比能耗關系

由圖3可知，當煤體普氏系數不變時，截割比能耗隨采高增大而減小。由于采高增大，單位時間內截割下來的煤體體積越多，同時工作面煤壁暴露的面積越大，煤壁受力由三向圍巖受力狀態轉變為雙向圍巖受力狀態，煤壁內部裂隙發育，截齒截割時受到截割阻力減小，截割比能耗降低。因此，在硬厚煤層開采過程中，應優選大采高綜合機械化開采，同時采取煤層超前弱化技術對煤層結構進行改造，有利于實現煤炭的高效節能開采。

1.2 煤層壓裂節能與塊煤分級控制理論機理

硬厚煤層的壓裂節能與塊煤分級控制理論和技術，是煤炭工業發展過程中適用清潔利用和科學轉化以及深加工需求增長情況下，探索提出的與優質煤炭生產和市場為源頭配套的綠色開采技術。

煤層壓裂節能與塊煤分級控制開采方法是針對陜北侏羅紀硬厚煤層大型綜采高耗能和清潔利用問題，在水壓致裂軟化原理基礎上，采用了水力壓裂、氣體壓裂、脈沖壓裂以及混合壓裂等綜合性手段與方法，改造了國家級能源化工基地的硬煤破碎性，降低裝備比能耗，提高資源采出率，形成并建立控制煤層壓裂裂隙網絡和破碎粒度為特征的塊煤集群壓裂開采方法。

煤層水壓致裂節能與塊煤分級控制工藝技術，是充分利用地應力條件，在原有綜采系統與開采工藝條件下，采用高壓脈沖預裂和高壓活性水致裂配套的綜合煤層超前水壓致裂技術，以增加煤層致裂裂隙數量，并嚴格控制裂縫發展形態形成合適的裂隙網絡，在自重、礦山壓力及采煤機擾動共同作用下及時垮落，避免了堅硬煤層對截齒的破壞，實現以提高截割效率、塊煤分級控制、降低材料消耗以及控制災害發生為特征的新型壓裂采礦工藝技術。

2 煤層壓裂演化規律模擬

根據陜北某淺埋煤層地質條件，建立200 m×1 m×40 m的三維數值模型，模型左邊、右邊、底部為固定邊界，模型上邊界為壓力邊界，模擬上覆巖層的地應力。模擬工作面傾向長度100 m，分別模擬未壓裂時工作面煤層100 m范圍內的應力分布和壓裂后工作面煤層50 m范圍內的應力分布。

2.1 工作面方向煤層壓裂演化規律

圖4 工作面方向煤層壓裂模型

工作面方向煤層壓裂模型如圖4所示。工作面方向煤層壓裂應力云圖如圖5所示。單、雙排孔煤層壓裂與未壓裂應力對比如圖6所示。

由圖4、圖5和圖6可知，工作面方向單、雙排孔壓裂區煤體應力轉移范圍為5 m和20 m，且雙排孔壓裂區煤體應力降低顯著，雙排孔壓裂效果好于單排孔。煤體壓裂區應力降低，從理論上解釋了工作面壓裂之后壓裂區片幫減小的原因。

圖5 工作面方向煤層壓裂應力云圖

圖6 單、雙排孔煤層壓裂與未壓裂應力對比圖

2.2 工作面推進方向煤層壓裂演化規律

工作面推進方向煤層壓裂模型如圖7所示。工作面推進方向煤層壓裂應力云圖如圖8所示。單、雙排孔煤層壓裂與未壓裂超前支撐壓力對比如圖9所示。單、雙排孔煤層壓裂與未壓裂超前支撐壓力峰值及位置對比如圖10所示。

由圖7、圖8、圖9和圖10分析可知，工作面推進到未壓裂、單、雙排孔壓裂區時的超前支承壓力分別為24.66 MPa、22.7 MPa和20.2 MPa，應力集中系數分別降低13%和22%；支承壓力峰值位置為5 m、6 m和8 m，分別前移1 m和3 m。結果表明，煤層壓裂有利于煤體彈性能量的釋放，為煤體破碎與沖擊災害防治創造條件，且雙排孔的壓裂效果優于單排孔。

圖8 工作面推進方向煤層壓裂應力云圖

圖9 單、雙排孔煤層壓裂與未壓裂超前支撐壓力對比圖

3 工程應用

3.1 工作面概況

試驗工作面選定陜北侏羅紀II-3煤層的某工作面，該煤層普氏系數f=2～3，為中等硬度煤層，其破壞性脆、斷口參差狀。天然煤層裂隙特點為：水平、垂直兩組節理，垂直節理相對水平節理發育，其天然裂隙中常充填有黃鐵礦，但破壞裂隙不發育。

圖10 單、雙排孔煤層壓裂與未壓裂超前支撐壓力峰值及位置對比圖

工作面地面標高+1260～+1285 m，工作面標高+1110～+1137 m，工作面走向長度2031.5 m，傾向長度254.5 m，平均煤層厚度5.04 m，為厚煤層，傾角1°～3°。采用長壁綜采一次采全高采煤方法，頂底板管理采用全部垮落法。

3.2 煤層壓裂方案

根據試驗條件，在試驗綜采面沿回風平巷實施超前煤層壓裂軟化工程。經過綜合分析，實施深孔壓—剪混合壓裂方案，鉆孔布置如圖11所示。

實施工藝如下：第一階段為高壓脈沖預裂法(PPF)，第二階段為高壓致裂裂化法(HPF)，與此同時，實施與綜采工藝協調配套的綜合塊煤開采方法和工藝參數。

3.3 煤層壓裂效果

工作面方向壓裂、非壓裂區礦壓觀測結果如圖12所示。工作面推進方向超前支承壓力觀測結果如圖13所示。由圖12和圖13可知，現場觀測與數值計算結果基本一致。實測單、雙排孔壓裂區應力集中系數分別降低23%和18%，單排孔效果優于雙排孔，是由于該區域前方存在斷層地質構造造成。

煤層壓裂塊煤分級控制統計情況見表1。由表1可知，煤層壓裂工藝使得大塊破碎為中塊和沫煤，其中壓裂區使6～100 mm粒徑的塊煤分布均勻且比未壓裂區提高了20.16%。試驗結果表明，煤層壓裂能較好地控制塊煤的粒徑，為煤炭清潔高效轉化利用創造條件。

圖11 煤層壓裂鉆孔布置圖

圖12 工作面方向壓裂、非壓裂區礦壓觀測結果

圖13 工作面推進方向超前支承壓力觀測結果

表1 煤層壓裂塊煤分級控制統計表

經過現場實測，采煤機在單、雙排孔壓裂區與非壓裂區的牽引速度分別為8.5 m/min、9.03 m/min和8.21 m/min，工效分別提高了3.5%和10%；在非壓裂區割一刀煤時間為42 min，按正常循環，單、雙排孔壓裂區割煤比非壓裂區節約16.56 min和44.04 min，煤層壓裂可多割1刀/d。雙排孔壓裂區采煤機滾筒截割比能耗降低了30%。

對采煤機在非壓裂區和壓裂區各割煤50 m所消耗的截齒數目、電量、油脂進行統計。其中，截齒消耗減少29.94個，降幅為29.1%；電耗降低17409 kWh，降幅為39.8%；油脂消耗減少15 kg，降幅為5.16%，節省材料支出115.5萬元/a。

通過對工作面方向、工作面推進方向煤塵分析得到，采高空間的中部位置的粉塵濃度最大，較低位置的煤塵濃度次之，較高位置的煤塵濃度最小，其中，工作面低位和高位的煤塵濃度比中位分別降低41.3%和49.1%；而工作面推進方向分別為16.0%和27.1%，由此可見工作面污染主要是割煤煤塵污染。

對比煤層壓裂前后煤塵濃度變化發現，煤層超前壓裂具有顯著降塵作用。其中，高位煤塵濃度由2.557 mg/m3降至0.111 mg/m3，下降了95.7%；中位煤塵濃度由2.874 mg/m3降至1.572 mg/m3，下降了45.3%；低位煤塵濃度由2.816 mg/m3降至0.187 mg/m3，下降了93.4%。

4 結論

(1)通過對煤體截割比能耗的影響因素分析，得出煤體硬度、煤層節理發育情況、采高及牽引速度等為主要影響因素。基于此，提出以煤層超前壓裂為核心，通過增加煤體裂隙數量、控制擴展形態，實現煤炭提質增效、節能降耗及災害控制的新壓裂開采方法。

(2)通過數值計算與現場試驗，揭示了硬厚煤壓裂演化規律，為煤層壓裂方案的制定提供了理論依據。

(3)研究了大采高硬厚煤層超前水壓致裂的關鍵參數與塊煤分級相協調的控制關系，給出了不同煤層的壓裂方案及工藝參數。

(4)工程實踐表明，大采高硬厚煤壓裂節能與塊煤分級控制技術方案可行，效果顯著。其中，工作面塊煤率提高了20%，割煤工效提高10%，截割比能耗降低了30%，割煤煤塵降低了45%，為類似礦井壓裂節能與塊煤分級開采提供了參考。

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